1. Wstęp
Według raportu IEA liczba elektrycznych samochodów oso- bowych na drodze osiągnęła wartość 3,1 mln w 2017 r., co stanowi wzrost o 57% w porównaniu z rokiem poprzednim, z czego w samych Chinach w tym samym roku liczba samo- chodów elektrycznych przekroczyła 1 mln.
Obecnie na chińskich drogach porusza się ok. 40% wszyst- kich samochodów elektrycznych na świecie.
Udział samochodów elektrycznych w 2017 roku w Stanach Zjednoczonych i w Europie osiągnął ok. 25% [1].
W ramach inicjatywy Electric Vehicles Initiative (EVI) uru- chomiono program pilotażowy Global EV Pilot City Pro- gramme (PCP).
Program ma na celu utworzenie sieci stu miast przyjaznych dla pojazdów o napędzie elektrycznym. Pomysł jest podykto- wany faktem, że to właśnie w miastach problem zanieczyszcze- nia powietrza oraz hałasu jest najbardziej dotkliwy [1].
Te działania mają na celu nawiązanie współpracy i wymianę doświadczeń oraz realizowanie projektów w zakresie np. plano- wania rozmieszczenia stacji ładowania. Współpracujące mia- sta będą tworzyły w ten sposób pewnego rodzaju platformy badawcze.
Program zakłada realizację celów strategicznych kampanii EV30@30 EVI, a celem jej jest osiągnięcie 20% udziału rynku pojazdów elektrycznych do 2030 roku, w tym pojazdów oso- bowych, lekkich samochodów dostawczych, ciężarówek oraz autobusów.
W Polsce również można zauważyć zdecydowany wzrost zainteresowania samochodami elektrycznymi, nie tylko na płaszczyźnie naukowej i technicznej, ale również wdrożeniowej i konsumenckiej [3, 4, 5, 6, 7]. Obecnie największą popularność w kraju zyskują elektryczne autobusy miejskie, co nie tylko jest zgodne z trendami światowymi, ale również wynika z potrzeby odciążenia ruchu w centrach miast oraz redukcji zanieczysz- czenia środowiska w największych skupiskach ludzi. Z uwagi na wprowadzanie w miastach Europy ograniczenia porusza- nia się pojazdami o napędzie spalinowym, naturalne wydaje się być korzystanie z elektrycznych pojazdów dostawczych i komunalnych.
Według raportu IEA publiczne floty autobusowe oraz pojazdy komunalne (np. pojazdy do wywozu śmieci, pojazdy do czysz- czenia ulic), które charakteryzują się regularnymi rozkładami jazdy oraz trasami, stanowią atrakcyjne pole do wdrożenia elek- tromobilności w miastach.
Jest to istotny aspekt ułatwiający wdrożenie autobusów elek- trycznych w porównaniu do prywatnych samochodów elek- trycznych, ponieważ daje możliwość rozwijania i planowania przez struktury państwowe i regionalne rozmieszczania stacji ładowania zgodnie z zapotrzebowaniem komunikacji miejskiej.
Podobną strategię można przyjąć przy planowaniu dostaw zaopatrzenia oraz tras pojazdów komunalnych.
Liczba pojazdów elektrycznych na polskich drogach rośnie wolniej w stosunku do krajów zachodnich, natomiast coraz więcej pojawia się przedsiębiorców zainteresowanych inwe- stowaniem w projekty związane z elektromobilnością. Polscy przedsiębiorcy są nastawieni głównie na rynek zachodnioeuro- pejski, przewidując również dynamiczny rozwój rynku w Polsce w niedalekiej przyszłości.
Instytut KOMEL, w ramach odpowiedzi na zapytania sek- tora prywatnego w zakresie napędów do zastosowania właśnie w pojazdach o masie do 3,5 t, podjął prace projektowe mające na celu opracowanie napędu prototypowego.
Analiza wydatności układu chłodzenia kadłuba w projekcie silnika do napędu pojazdu dostawczego o masie do 3,5 t
Jacek Pytel, Piotr Dukalski
Streszczenie: W artykule autorzy prezentują charakterystyki mocy i momentu obrotowego silnika dedykowanego do elek- trycznego pojazdu dostawczego o masie do 3,5 t. Zostały przed- stawione modele kadłuba w trzech wariantach, różniących się układem chłodzenia oraz technologią wykonania. Została prze- prowadzona analiza wydajności układów chłodzenia.
Słowa kluczowe: silnik z magnesami trwałymi, samochód elektryczny, napęd elektryczny, układ chłodzenia
ANALYSIS OF COOLING SYSTEM EFFICIENCY OF ELECTRIC MOTOR HOUSING FOR COMMERCIAL VEHICLE UP TO 3,5 T
Abstract: In the article, the authors present power and torque characteristics of motor dedicated to an electric delivery vehicle with a weight of up to 3,5 tonnes. Hull models in three variants, differing in the cooling system and manufacturing technology have been presented. The performance analysis of cooling sys- tems was carried out.
Keywords: permanent magnet motor, electric car, electric drive, cooling system
2. Parametry silnika
Projektowany silnik elektryczny jest silnikiem synchro- nicznym wzbudzanym magnesami trwałymi, z wirnikiem wewnętrznym IPM typu „V”. Chłodzenie silnika bazuje na zastosowaniu układu przepływu cieczy w kanałach zabudowa- nych w kadłubie.
Na rys. 1 przedstawiony został model obliczeniowy silnika metodą polowo-obwodową.
Na rys. 2 przedstawiono rozkład indukcji magnetycznej od magnesów wirnika.
Na rys. 3 przedstawione zostały obliczone charakterystyki momentu obrotowego i mocy dla znamionowego i maksymal- nego prądu zasilania.
Obliczone parametry znamionowe silnika zostały przedsta- wione w tabeli 1.
3. Modele silnika
W celu walidacji technologiczności konstrukcji i kosztów wykonania opracowano cztery modele silnika różniące się kadłubem. Każdy model składa się ze stojana uzwojonego oraz kadłuba silnika z układem chłodzenia. Przyjęto układ, w którym ciecz chłodząca (glikol etylenowy) opływa ścianki kadłuba, zmniejszając temperaturę stojana. Istotnym kryterium przy projektowaniu kadłuba jest taki dobór układu chłodzenia, aby jego wydajność była jak najwyższa, na co ma wpływ mię- dzy innymi wartość rezystancji cieplnej na styku podzespołów silnika uczestniczących w transferze ciepła, która powinna być jak najniższa. Zaprojektowano następujące modele kadłuba:
Rys. 1. Model obliczeniowy obwodu elektromagnetycznego silnika do zastosowania w samochodzie dostawczym do 3,5 t
Rys. 2. Rozkład indukcji od magnesów w obwodzie elektromagnetycz- nym silnika do zastosowania w samochodzie dostawczym do 3,5 t
Rys. 3. Obliczone charakterystyki mocy mechanicznej oraz momentu obrotowego silnika prototypowego w funkcji prędkości obrotowej, dla prądu znamionowego In = 175 A oraz prądu maksymalnego Imax. = 300 A
Tabela 1. Parametry znamionowe silnika
Parametr Wartość
Pn 120 kW
UnDC (po stronie baterii) 600 V
In 175 A
Tn (0–3800 obr./min) 270 Nm
Imax. 300 A
Tmax. 460 Nm
ηmax. 95%
m 120 kg
A. odlew aluminiowy z kanałem chłodzącym w postaci zwi- niętej rurki ze stali nierdzewnej, zatopionej w materiale kadłuba (rys. 4);
B. kadłub spawany z kanałem toczonym po linii śrubowej (rys. 5);
C. kadłub spawany z kanałami szeregowymi, występującymi na całej długości kadłuba, równomiernie na obwodzie (rys. 6).
Modele A i B reprezentują ideowo identyczne układy chło- dzenia, lecz różnią się technologią wykonania. Model spawany z kanałem toczonym (rys. 5) jest korzystniejszy – wyelimino- wano rezystancję cieplną występującą na styku metalowej rurki z materiałem odlewu oraz pocieniono ściankę kadłuba.
Inną koncepcję reprezentuje model C, w którym wykonane są otwory przelotowe okrągłe, połączone szeregowo kanałami w tarczach zamykających. Taka konstrukcja pozwala na wyeli- minowanie dodatkowych rezystancji cieplnych, jakie wystę- pują w modelu A i B (na styku metalowej rurki z odlewem lub na styku płaszcza zewnętrznego z rurą wewnętrzną kadłuba).
Znacząco uproszczono technologię w stosunku do kadłuba odlewanego. Na rynku znane są rozwiązania budowy kadłuba z profili aluminiowych wyciskanych, o kalibrowanym przekroju [8], natomiast na potrzeby prototypu wykonano własny model.
Kadłub zoptymalizowano pod kątem ilości otworów w rurze kadłuba oraz wielkości przepływu cieczy chłodzącej. Istnieje taka graniczna ilość otworów oraz graniczny przepływ cieczy chłodzącej, że ich zwiększenie nie wpływa istotnie na wydaj- ność układu chłodzenia, a zatem na sprawność całego silnika.
Dodatkowym elementem wpływającym korzystnie na wydaj- ność chłodzenia jest żywica epoksydowa termoprzewodząca, pośrednicząca między czołami uzwojenia a kadłubem. Żywicę uwzględniono w każdym z opisywanych modeli. Współczynnik przewodzenia ciepła dla stosowanej w KOMEL żywicy wynosi λ = 1,3 W/mK i jest to wartość 50-krotnie większa niż dla nie- ruchomego powietrza.
Dla modeli A, B, C wykonano symulacje mające na celu porównanie wydajności układu chłodzenia. Jako odniesie- nie przyjęto maksymalną temperaturę w stojanie występu- jącą w stanie ustalonym. Najwyższe temperatury wstępują w uzwojeniu. Tworząc model do analizy, przyjęto pakiet blach (rdzeń) i uzwojenie jako objętościowe źródła ciepła. Suma mocy wymienionych źródeł jest wielkością strat w znamionowym punkcie pracy silnika, rozdzielonych stosownie na straty w mie- dzi i żelazie (z pominięciem wirnika). Uzyskane w symulacjach zakresy temperatur stojana nie opisują modelu rzeczywistego.
Modele wykonano w pewnym stopniu uproszczenia tak, by możliwe było wykonanie symulacji bez nadmiernego użycia mocy obliczeniowej. Główne odstępstwo od modelu rzeczywi- stego polega na uproszczeniu modelu rdzenia stojana. Wsku- tek uproszczenia powierzchnia oddawania ciepła z uzwojenia do rdzenia, o określonej rezystancji zastępczej, zmniejszyła się 3,3-krotnie. Rzeczywiste temperatury w uzwojeniu będą wyż- sze. Należy mieć na uwadze, że przyjęte do obliczeń rezystan- cje, np. między rdzeniem stojana a kadłubem, są silnie zależne od warunków montażu – tolerancji wykonania i uzyskanych jakości powierzchni. W opisywanych modelach na drodze prze- pływu ciepła od źródła do cieczy chłodzącej wstępują cztery rezystancje [9]:
Rys. 5. Kadłub z kanałem toczonym po linii śrubowej (B)
Rys. 6. Kadłub z kanałami szeregowymi (C) Rys. 4. Kadłub odlewany (A)
Rys. 7. Rozkład temperatur stojana w kadłubie odlewanym (A)
Rys. 8. Rozkład temperatur stojana w kadłubie z kanałem toczonym po linii śrubowej (B)
Rys. 9. Rozkład temperatur stojana w kadłubie z kanałami szeregowymi (C)
lzmiędzy zwojem z rurki nierdzewnej a materiałem odlewu R1 = 0,00055 m2K/W;
lzmiędzy kadłubem a pakietem blach (rdzeniem) stojana R2 = 0,0004 m2K/W;
lzzastępcza rezystancja cieplna izolacji żłobkowej, tj. między uzwojeniem a rdzeniem stojana R3 = 0,009 m2K/W;
lzna styku elementów aluminiowych kadłuba R4 = 0,005 m2K/W.
Uzyskany rozkład temperatur w stanie ustalonym przed- stawiono na rys. 7, 8, 9. Wyniki przedstawiono dla tej samej wielkości przepływu cieczy chłodzącej. Różnice między tem- peraturą cieczy chłodzącej na wlocie i wylocie oraz w rdzeniu stojana przedstawiono w tabeli 2, przy czym dla rdzenia przy- jęto punkty o najwyższej i najniższej temperaturze. Najgorszy rezultat uzyskano dla stojana A. Najkorzystniej przedstawia się wariant B, a po nim C.
4. Podsumowanie
Światowe trendy w zakresie elektromobilności oraz zapytania przedsiębiorców skierowane do Instytutu KOMEL wskazują na wzrost zainteresowania silnikami do napędów pojazdów elek- trycznych dedykowanych dla komunikacji miejskiej, sektora komunalnego oraz transportu detalicznego. Po autobusach elektrycznych największy przedmiot zainteresowania stano- wią małe pojazdy dostawcze do 3,5 t.
W ramach odpowiedzi na potrzeby potencjalnych klien- tów Instytut KOMEL rozpoczął prace projektowe, mające na celu opracowanie silnika spełniającego potrzeby określone
w zapytaniach. Przedstawione w artykule charakterystyki momentu obrotowego zostały opracowane na podstawie sze- regu zapytań o tę samą aplikację silnika.
Po zaprojektowaniu obwodu elektromagnetycznego opraco- wano trzy rozwiązania kadłubów o różnej technologii. Kadłub odlewany (A) jest rozwiązaniem najmniej korzystnym z punktu widzenia sprawności układu chłodzenia – na styku materiału kadłuba ze zwojem chłodnicy występuje dodatkowa rezystancja cieplna, niewystępująca w pozostałych modelach.
Na podstawie analizy wydajności układu chłodzenia silnika przyjęto dwa modele (B i C), które zostaną poddane dalszej ana- lizie. Istnieje pole do poprawy wydajności chłodzenia poprzez zastosowanie radiatorów montowanych przy czołach uzwoje- nia w obszarze stojana o wyższej temperaturze, na co wska- zują różnice temperatur pomiędzy czołami strony napędowej i przeciwnej. Zastosowanie dodatkowych radiatorów miałoby na celu zniwelowanie asymetrii cieplnej wskutek ograniczonej pojemności cieplnej chłodziwa.
Autorzy wybiorą jeden model do wykonania prototypu, co zaprezentują w kolejnych publikacjach.
Literatura
[1] IEE global_ev_outlook_2018.
[2] https://www.iea.org/newsroom/news/2018/may/global-ev-pilot- city-programme-launched-at-clean-energy-ministerial.html.
[3] Król E., Bernatt J.: Optimum selection of electrical motor for urban bus drive. International Conference on Advanced Automo- tive Technology (ICAT), July 5–7, 2018, Gwangju, Korea.
[4] http://e-bus.rafako.com.pl/.
[5] Rossa R., Będkowski B., Bernatt J., Meinicke T.: Badania eksploatacyjne miejskiego samochodu dostawczego z napędem elektrycznym e-Kit. „Logistyka” 6/2014.
[6] Dukalski P., Będkowski B., Wolnik T., Jarek T.: Założenia pro- jektu silnika do zabudowy w piaście koła samochodu elektrycznego,
„Autobusy: technika, eksploatacja, systemy transportowe” 6/2018.
[7] Dukalski P., Będkowski B., Parczewski K., Wnęk H., Urbaś A., Augustynek K.: Dynamics of the vehicle rear suspension system with electric motors mounted in wheels. „Eksploatacja i Niezawodność” Vol. 21, No. 1, 2019.
[8] Bauser M., Sauer G., Sieger K.: Extrusion: Second Edition. ASM International Material Park, Ohio, 2006.
[9] Będkowski B.: Praca doktorska: System doboru i oceny parame- trów układów chłodzenia wybranych maszyn elektrycznych. Aka- demia Techniczno-Humanistyczna, Bielsko-Biała 2015.
Tabela 2. Temperatury w stanie ustalonym obliczone dla punktu znamio- nowego pracy silnika
Punkt pomiaru Temperatura [˚C]
Stojan A Stojan B Stojan C Wlot cieczy
chłodzącej 30,0
Wylot cieczy
chłodzącej 38,7 38,2 39,3
Najniższa temperatura w rdzeniu stojana
54,5 41,8 45,1
Najwyższa temperatura w rdzeniu stojana
60,5 51,3 54,1
Najniższa temperatura w uzwojeniu
64,5 56,9 57,8
Najwyższa temperatura w uzwojeniu
71,8 61,6 62,5
Jacek Pytel Piotr Dukalski
Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL artykuł recenzowany
